DE102005061962A1

DE102005061962A1 - VNA und Verfahren zum Adressieren von Übertragungsleitungseffekten in VNA-Messdaten

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Publication number: DE102005061962A1
Application number: DE102005061962A
Authority: DE
Inventors: Kenneth H. Loveland Wong; David V. Loveland Blackham; Joel P. Loveland Dunsmore
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2006-10-12
Also published as: GB2424714A; GB0605967D0; US20060226856A1; US7148702B2

Abstract

Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Vektornetzwerkanalysator (VNA) eine Mehrzahl von Toren zum Koppeln mit einer zu testenden Vorrichtung (DUT), zumindest einen Referenzempfänger zum Messen von Signalen, die der DUT zugeordnet sind, und eine Logik zum Verarbeiten von Messdaten von dem zumindest einem Referenzempfänger, um Übertragungsleitungseffekte auszugleichen, wobei die Logik zum Verarbeiten eine Funktion mehrerer steuerbaren Variablen bewertet, die eine Summe mehrerer Übertragungsleitungsmodelle ist, wobei sich jede der steuerbaren Variablen auf eine jeweilige Übertragungsleitungslänge bezieht, die einem entsprechenden Übertragungsleitungsmodell zugeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Verarbeiten von Messdaten von VNAs, um die Übertragungsleitungsverzögerung und -dämpfung auszugleichen.
Vektornetzwerkanalysatoren (VNAs) sind Vorrichtungen, die verwendet werden, um die Hochfrequenz- (HF-) Charakteristika verschiedener zu testender Vorrichtungen (DUTs) zu bestimmen. Für eine Anzahl von VNA-Operationen hängen die dazugehörigen Leistungsmessungen sowohl von der Größe als auch der Phase der Signale ab, die an jedes Tor angelegt werden und an jedem empfangen werden. Die Verzögerung und Dämpfung eines DUT kann jedoch auf einer Pro-Tor-Basis variieren. Beispielsweise können halterungsbasierte Testanordnungen und „On-Wafer"-Anordnungen bewirken, dass solche Unterschiede auftreten. Genauer gesagt können Übertragungsleitungscharakteristika die Phasen- und Amplitudenmessungen eines DUT wesentlich beeinträchtigen.
Die meisten handelsüblichen VNAs umfassen eine Funktionalität, um Übertragungsleitungseffekte zu adressieren. Ein Beispiel einer solchen Funktionalität wird als „Torerweiterungen" bezeichnet, die die Phase und/oder Amplitude von Messdaten gemäß einem elektrischen Längenparameter einstellen. Eine bekannte Torerweiterungsfunktionalität nimmt an, dass zwischen der elektrischen Länge einer Übertragungsleitung zu der DUT und der Verzögerung eine lineare Beziehung existiert. Viele Übertragungsleitungen sind jedoch dispergierend und somit sind ihre Phasencharakteristika nicht linear bezüglich der Frequenz. Die Verwendung eines linearen Modells zum Ausgleichen für Übertragungsleitungscharakteristika kann zu beträchtlichen Ungenauigkeiten für Anwendungen höherer Frequenz führen. Ein weiteres Beispiel einer solchen Funktionalität wird als "Adapterentfernung" bezeichnet, die versucht, die Größe und Phasenantwort eines Adapters zu entfernen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Vektornetzwerkanalysator, ein Verfahren zum Betreiben eines VNA sowie ein System mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen VNA gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 14 sowie ein System gemäß Anspruch 19 gelöst.
Einige darstellende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf das Ausgleichen von Übertragungsleitungseffekten in VNA-Messdaten. Bei einigen darstellenden Ausführungsbeispielen berechnet ein geeignetes Modul eines VNA Verlust und/oder Phasenantwort, die Toren des VNA und der zu testenden Vorrichtung (DUT) zugeordnet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel verwendet das Modul Funktionen zum Berechnen Übertragungsleitungsphasenantwort und -verlust durch Verwenden jeweiliger Summen von mehreren Übertragungsleitungsmodellen. Die mehreren Modelle umfassen vorzugsweise ein Koaxialübertragungsleitungsmodell, ein Rechteckwellenleiterübertragungsleitungsmodell und ein Mikrostreifenübertragungsleitungsmodell. Außerdem sind die Funktionen Funktionen von steuerbaren Variablen, die sich auf Übertragungsleitungslängen beziehen, die jedem der Übertragungsmodelle zugeordnet sind.
Das Verarbeiten durch das Modul des VNA kann in unterschiedlichen Kontexten auftreten. Wenn beispielsweise VNA-Kalibrierung auftritt, können Parameter, die die Übertragungsleitungscharakteristika eines Kalibrierungsstandards definieren, zu dem Modul geliefert werden. Wenn Kalibrierungsmessungen unter Verwendung des Standards durchgeführt werden, kann die Korrektur der Messdaten durch Verarbeiten des Moduls auftreten. Die größere Genauigkeit bei den Kalibrierungsdaten ermöglicht einen größeren Grad an Genauigkeit beim Berechnen der systematischen Fehlerterme des VNA. Bei einer anderen Funktionsweise, wenn Messungen einer Vorrichtung von Interesse auftreten, kann das Verarbeiten des Moduls auftreten, um automatische Torerweiterungsfunktionalität zu unterstützen, um es zu ermöglichen, dass Übertragungsleitungseffekte bei Messdaten in Echtzeit adressiert werden. Außerdem, wenn die Adapterentfernungskalibrierung geeignet ist, kann die Übertragungsphase des Adapters genauer berechnet werden, um eine gültige Lösung zu erreichen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Vektornetzwerkanalysator gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel; und
2 ein Flussdiagramm gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel.
Allgemein kann die Phasenantwort einer Übertragungsleitung wie folgt modelliert werden:
wobei L = Länge, c = Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum und ε_ref = die effektive relative dielektrische Konstante ist. δ = elektrische Verzögerung = L/c. Dann ist c
Die effektive relative dielektrische Konstante ε_ref der Übertragungsmedien ist typischerweise ein frequenzabhängiger Term und moduliert als eine Funktion der Frequenz (G(f)). Die Phasenantwort einer Übertragungsleitung kann dann moduliert werden durch: θ = 2πf√G(f)δ + θ0 (2)
Die allgemeine Gleichung des Übertragungsleitungsverlusts ist gegeben durch: IL = Übertragungsverlust = Ke–αl (3)wobei α die Ausbreitungsverlustkonstante ist, l = die Länge der Übertragungsleitung. Wenn das natürliche log genommen wird, können weitere Ableitungen wie folgt gemacht werden: In(IL) = –αl + K0 falls α ≅ A·F(f) dann In (IL) = –A·F(f)·l + K0 (4)
Somit können Übertragungsleitungen gekennzeichnet werden durch zwei jeweilige Funktionen (G(f) und F(f)), die ihre Phasenantwort- und Verlust-Charakteristika definieren.
Bei einigen Ausführungsbeispielen werden die folgenden Gleichungen verwendet, um eine einzelne Metallkoaxialübertragungsleitung mit geringem Verlust zu modellieren: Gc(f) = εr; Fc(f) = K√f (5)
Bei einigen Ausführungsbeispielen werden die folgenden Gleichungen verwendet, um einen Rechteckwellenleiter mit geringem Verlust zu modellieren:
Bei einigen Ausführungsbeispielen werden die folgenden Gleichungen verwendet, um eine Mikrostreifenübertragungsleitung zu modellieren:
wobei ε_re = F(w, h, t); f_p = H (w, h, t, f); w = Breite der Bahn; t = Dicke der Bahn; h = Höhe der Bahn von Masse Fms(f) = αc + αd
Bei einigen Ausführungsbeispielen verwendet ein Modul eines VNA Funktionen, um Übertragungsleitungsverzögerung und -verlust zu berechnen durch Verwenden jeweiliger Summen der vorhergehenden Übertragungsleitungsphase und Verlustmodelle. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind die Funktionen gegeben durch: G(f) = δcG'c (f) + δwgG'wg (f) + δmsG'ms (f) + ... + G0 (12) F(f) = ρcF'c (f) + ρwgF'wg (f) + ρmsF'ms (f) + ... + F0 G₀, F₀ = Summe aller versetzten Terme
G'(f), F'(f) = G(f), F(f) – versetzte Terme
wobei
ρ_× = α_xl_x; α = Ausbreitungsverlustkonstante, l = Länge
δ_x = l_x/c; c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
Bei anderen Ausführungsbeispielen kann jede Kombination von Übertragungsleitungsmodellen verwendet werden. Mehrere Funktionen in der Summierung können auch den gleichen Übertragungsleitungstyp mit unterschiedlichen physikalischen Charakteristika darstellen. Beispielsweise kann eine Übertragungsleitung von drei Wellenleitersegmenten mit unterschiedlichen physikalischen Charakteristika wie folgt modelliert werden: G(f) = δwg1G'wg1 (f) + δwg2G'wg2 (f) + δwg3G'wg3 (f) + ... + G0 (13) F(f) = ρwg1F'wg1 (f) + ρwg2F'wg2 (f) + ρwg3F'wg3 (f) + ... + G0 (14)
Die Summierung der Phase- und Verlustfunktionen modelliert Testanordnungen, Testvorrichtungen, Kalibrierungsstandards und/oder dergleichen als Komponenten, die jeweilige Koaxial-, Rechteckwellenleiter- und Mikrostreifensegmente umfassen. Die Versatzterme (G₀ und F₀) werden verwendet, um Phasenwicklung und -verlust für Anwendungen zu berücksichtigen, die weit von einem Gleichsignal entfernt sind, und für Hochpassvorrichtungen, die keine Lösung bei Gleichsignalen haben. Außerdem sind die Gleichungen (12) vorteilhaft, weil die Koeffizienten eine physikalische Bedeutung haben. Die Koeffizienten der Phasenfunktion (G(f)) sind die geschätzten Verzögerungen jedes Übertragungsleitungssegments. Die Koeffizienten der Verlustfunktion (F(f)) beziehen sich auf den geschätzten Verlust jedes Leitungssegments. Auf die Bestimmung der Koeffizienten hin können die Gleichungen (12) dann in Verbindung mit den Gleichungen (2) und (4) verwendet werden, um Übertragungsleitungsphasenantwort und -verlust in Zusammenhang mit VNA-Messungen zu adressieren. Darüber hinaus können bei den Verzögerungswerten von den G(f) Koeffizienten die Verlustkonstanten jedes Übertragungsleitungssegments bestimmt werden. Falls die Ausbreitungsverlustkonstanten bestimmt wurden, kann die Länge bestimmt werden und als Gegenprobe für die Lösung von der Funktion G(f) verwendet werden.
Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen stellt 1 einen VNA 100 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel dar. Der VNA 100 umfasst herkömmliche Elemente, wie z. B. Tore 101, Referenzempfänger 102 und ein Stimulussignalsmodul 103 zum Erzeugen eines Stimulussignals, Anlegen des Signals an eine DUT und Messen der Antwort der DUT. Der VNA 100 kann andere herkömmliche Elemente umfassen, wie z. B. Analog/Digital-Wandler und Digital/Analog-Wandler (nicht gezeigt). Der VNA 100 umfasst ferner einen Prozessor 104 zum Verarbeiten von Messdaten. Der VNA 100 umfasst eine Mehrzahl von Softwaremodulen, die verschiedene Verarbeitungsalgorithmen definieren. Der VNA 100 umfasst beispielsweise ein Autokalibrierungsmodul 107, das systematische Fehlerterme von Messdaten berechnet, die verschiedenen „Standards" zugeordnet sind (Vorrichtungen mit bekannten oder geschätzten Charakteristika). Der VNA 100 umfasst auch ein Torerweiterungsmodul 106, das Phasen- und Amplitudenkompensation in Echtzeit an Messdaten liefert, die einer DUT zugeordnet sind, während ein Stimulussignal an die DUT angelegt wird. Der VNA 100 umfasst ferner ein Wurzelextraktionsmodul 180 zum Schätzen des Vorzeichens verschiedener Parameter (z. B. Kalibrierungsparameter) die als Quadratwurzel verschiedener anderer Werte berechnet werden.
Jedes der Module 106, 107 und 108 erreicht einen größeren Genauigkeitsgrad unter Verwendung des Übertragungsleitungskompensationsmoduls 105. Genauer gesagt, wenn Messdaten erhalten werden (z. B. von einer Vorrichtung von Interesse oder einem Kalibrierungsstandard), werden die Messdaten an ein Übertragungsleitungskompensationsmodul 105 geliefert. Das Übertragungsleitungskompensationsmodul 105 verwendet die Versatzterme, die Koeffizienten und die Gleichungen (2), (4) und (12), um Phasenkompensation und Amplitudenkompensation zu liefern. Wenn beispielsweise Kalibrierungsprozeduren auftreten, können Übertragungsleitungsparameter, die einem elektronischen Kalibrierungsgerät zugeordnet sind, von der Datendatei 109 wiedergewonnen werden und an das Übertragungsleitungskompensationsmodul 105 geliefert werden. Während Messdaten durch Anlegen eines Stimulussignals an die Kalibrierungsvorrichtung erzeugt werden, werden die Phasen- und Amplitudenkorrektur durch ein Übertragungsleitungskompensationsmodul 105 an die Messdaten angelegt.
Das Autokalibrierungsmodul 107 berechnet dann systematische Fehlerterme unter Verwendung der korrigierten Messdaten.
2 zeigt ein Flussdiagramm des Betreibens eines VNA gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Das Flussdiagramm von 2 kann unter Verwendung von Softwarebefehlen und einem geeigneten Prozessor implementiert werden. Zusätzlich oder alternativ könnte eine integrierte Schaltungsanordnung verwendet werden. Bei Schritt 201 werden die Messdaten durch den VNA erzeugt. Bei Schritt 202 werden zwei Funktionen bewertet, die jeweils eine Summe mehrerer Übertragungsmodelle sind. Die Funktionen sind Funktionen mehrerer Variablen. Jede der mehreren Variablen bezieht sich auf eine jeweilige Übertragungsleitungslänge, die einem entsprechenden Übertragungsleitungsmodell zugeordnet ist. Eine der Funktionen modelliert die Phasenantwort mehrerer Übertragungsleitungen jeweiliger Länge. Die andere Funktionen modelliert den Übertragungsleitungsverlust mehrerer Übertragungsleitungen jeweiliger Länge. Die Funktionen werden für mehrere Frequenzen von Interesse ausgewertet. Bei Schritt 203 werden die Messdaten verarbeitet, um Übertragungsleitungseffekte unter Verwendung der bei Schritt 202 erhaltenen Werte auszugleichen. Bei Schritt 204 werden die korrigierten Messdaten verwendet, um eine oder mehrere VNA-Aufgaben durchzuführen (wie z. B. Kalibrieren des VNA, Bestimmen einer Wurzel eines geeigneten Parameters, Berechnen einer Antwort einer DUT und/oder dergleichen).
Einige darstellende Ausführungsbeispiele können eine Anzahl von Vorteilen liefern. Beispielsweise zeigen Kalibrierungsverfahren, die sich auf genaue Phaseninformation (z. B. TRL, unbekannter Durchgang, Versatzlast, Adapterentfernung und/oder dergleichen) verlassen, eine verbesserte Leistungsfähigkeit. Außerdem zeigen einige darstellende Ausführungsbeispiele keine Probleme im Zusammenhang mit Rechenabrundungsfehlern wie sie auftreten würden, falls Lösungen eines Polynoms höherer Ordnung angewendet würden.

Claims

Vektornetzwerkanalysator (VNA) (100), der folgende Merkmale umfasst: eine Mehrzahl von Toren (101) zum Koppeln mit einer zu testenden Vorrichtung (DUT); zumindest einen Referenzempfänger (102) zum Messen von Signalen, die der DUT zugeordnet sind; und eine Logik zum Verarbeiten von Messdaten (105) von dem zumindest einen Referenzempfänger (102), um Übertragungsleitungseffekte auszugleichen, wobei die Logik zum Verarbeiten eine Funktion mehrerer steuerbarer Variablen bewertet, die eine Summe mehrerer Übertragungsleitungsmodelle ist, wobei jede der steuerbaren Variablen sich auf eine jeweilige Übertragungsleitungslänge bezieht, die einem entsprechenden Übertragungsleitungsmodell zugeordnet ist.
VNA (100) gemäß Anspruch 1, bei dem die Funktion einen Übertragungsleitungsverlust berechnet, der zwischen zumindest einem der Mehrzahl von Toren (101) und der DUT auftritt.
VNA (100) gemäß Anspruch 1, bei dem die Funktion eine Menge an Übertragungsleitungsverzögerung berechnet, die zwischen zumindest einem der Mehrzahl von Toren (101) und der DUT auftritt.
VNA (100) gemäß Anspruch 1, bei dem die Funktion die Menge an Übertragungsverzögerung berechnet, die in einem Adapter auftritt.
VNA (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eines der Übertragungsleitungsmodelle ein Koaxialübertragungsleitungsmodell ist.
VNA (100) gemäß Anspruch 5, bei dem das Koaxialübertragungsleitungsmodell durch die folgende Gleichung gekennzeichnet ist: Gc(f) = εr
VNA (100) gemäß Anspruch 5, bei dem das Koaxialübertragungsleitungsmodell durch die folgende Gleichung gekennzeichnet ist: Fc(f) = K√f
VNA (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eines der Übertragungsleitungsmodelle ein Rechteckwellenleiterübertragungsleitungsmodell ist.
VNA (100) gemäß Anspruch 8, bei dem das Rechteckwellenleiterübertragungsleitungsmodell durch die folgende Gleichung gekennzeichnet ist:
VNA (100) gemäß Anspruch 8, bei dem das Rechteckwellenleiterübertragungsleitungsmodell durch die folgende Gleichung gekennzeichnet ist:
VNA (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem eines der Übertragungsleitungsmodelle ein Mikrostreifenübertragungsleitungsmodell ist.
VNA (100) gemäß Anspruch 11, bei dem das Mikrostreifenübertragungsleitungsmodell durch die folgende Gleichung gekennzeichnet ist:
VNA (100) gemäß Anspruch 11, bei dem das Mikrostreifenübertragungsleitungsmodell durch die folgenden Gleichungen charakterisiert ist:
Verfahren zum Betreiben eines Vektornetzwerkanalysators (VNA), das folgende Schritte umfasst: Erzeugen (201) von Messdaten (105) durch den VNA (100); Bewerten (202) einer Funktion, die eine Summe mehrerer Übertragungsmodelle ist, unter Verwendung von mehreren Variablen, wobei jede der mehreren Variablen sich auf eine jeweilige Übertragungsleitungslänge bezieht, die einem entsprechenden Übertragungsleitungsmodell zugeordnet ist; und Verarbeiten (203) der Messdaten (105) ansprechend auf das Bewerten.
Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem das Verarbeiten folgenden Schritt umfasst: Durchführen von Amplitudenkompensation an den Messdaten (105).
Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem das Verarbeiten folgenden Schritt umfasst: Liefern von Phasenkompensation an die Messdaten (105).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem die mehreren Übertragungsleitungsmodelle ein Koaxialübertragungsleitungsmodell, ein Rechteckwellenleiterübertragungsmodell und ein Mikrostreifenübertragungsleitungsmodell umfassen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem die mehreren Übertragungsleitungsmodelle mehrere Modelle mit unterschiedlichen physikalischen Charakteristika umfassen.
System, das folgende Merkmale umfasst: eine Einrichtung zum Erzeugen eines Stimulussignals zum Anlegen an eine zu testende Vorrichtung (DUT); eine Einrichtung zum Anlegen des Signals an die DUT; eine Einrichtung zum Messen von Signalen, die mit der DUT zusammenhängen; und eine Einrichtung zum Verarbeiten von Messdaten (105) von der Einrichtung zum Messen zum Ausgleichen von Übertragungsleitungseffekten, wobei die Einrichtung zum Verarbeiten eine Funktion von mehreren steuerbaren Variablen bewertet, die eine Summe mehrerer Übertragungsleitungsmodelle ist, wobei sich jede der steuerbaren Variablen auf eine jeweilige Übertragungsleitungslänge bezieht, die einem entsprechenden Übertragungsleitungsmodell zugeordnet ist.
System gemäß Anspruch 19, bei dem die Einrichtung zum Verarbeiten Amplitudenkompensation an den Messdaten (105) durchführt.
System gemäß Anspruch 19, bei dem die Einrichtung zum Verarbeiten Phasenkompensation an die Messdaten (105) liefert.
System gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, bei dem die mehreren Übertragungsleitungsmodelle ein Koaxialübertragungsleitungsmodell, ein Rechteckwellenleiterübertragungsleitungsmodell und ein Mikrostreifenübertragungsleitungsmodell umfassen.